Suchen

Grundlagenwissen

Plasmaschneiden – Funktionsweise, Vor- und Nachteile

| Redakteur: Frauke Finus

Beim Plasmaschneiden werden Werkstücke aus elektrisch leitfähigen Materialien mittels eines beschleunigten Strahles aus heißem Plasma durchtrennt. Das Plasmaschneiden ist eine effektive Möglichkeit, dicke Bleche zu trennen.

Firmen zum Thema

Hypertherm hat unter anderem das X-Definition-Schneiden entwickelt, das mit der Anlage XPR300 angeboten wird. Dieses Verfahren gibt dem Plasmaschneiden einen Qualitäts- und Funktionsschub.
Hypertherm hat unter anderem das X-Definition-Schneiden entwickelt, das mit der Anlage XPR300 angeboten wird. Dieses Verfahren gibt dem Plasmaschneiden einen Qualitäts- und Funktionsschub.
( Bild: Hypertherm )

Egal ob Sie Kunstwerke erschaffen oder Fertigteile herstellen möchten – das Plasmaschneiden bietet unbegrenzte Möglichkeiten zum Schneiden von Aluminium, Edelstahl und mehr. Doch was genau verbirgt sich eigentlich hinter dieser noch relativ jungen Technologie? Wir klären die wichtigsten Fragen in unserem Kurzüberblick mit den wichtigsten Fakten über Plasmaschneider und Plasmaschneiden.

Plasmaschneiden von Blechen, Rohren und Profilen

So funktioniert das Plasmaschneiden

Das Plasmaschneiden ist ein Verfahren, bei dem elektrisch leitfähige Materialien mittels eines beschleunigten Strahles aus heißem Plasma durchtrennt werden. Typische Materialien, die mit einem Plasmabrenner geschnitten werden können, sind Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing und Kupfer sowie andere leitfähige Metalle. Das Plasmaschneiden wird häufig in Fertigungsbetrieben, in der Kfz-Reparatur und -Restaurierung, im Industriebau sowie bei Bergungs- und Verschrottungsarbeiten eingesetzt. Durch die hohe Geschwindigkeit und Präzision der Schnitte bei gleichzeitig niedrigen Kosten findet das Plasmaschneiden eine breite Anwendung von großen industriellen CNC-Anwendungen bis hin zu kleinen Hobbybetrieben, in denen die Werkstoffe anschließend zum Schweißen verwendet werden. Plasmaschneiden – Leitfähiges Gas mit einer Temperatur bis 30.000°C macht Plasmaschneider so besonders.

In diesem Video zeigt Microstep Plasmaschneiden und Markieren mit Plasma.

Der grundlegende Prozess beim Plasmaschneiden und Schweißen besteht darin, einen elektrischen Kanal aus überhitztem, elektrisch ionisiertem Gas – also Plasma – vom Plasmaschneider selbst durch das zu schneidende Werkstück zu erzeugen und so über eine Erdungsklemme einen fertigen Stromkreis zurück zum Plasmaschneider zu bilden. Dies wird durch ein Druckgas (Sauerstoff, Luft, Inertgas und andere je nach Schneidgut) erreicht, das durch eine fokussierte Düse mit hoher Geschwindigkeit zum Werkstück geblasen wird. Innerhalb des Gases bildet sich dann ein Lichtbogen zwischen einer Elektrode in der Nähe der Gasdüse und dem Werkstück selbst. Dieser elektrische Lichtbogen ionisiert einen Teil des Gases und erzeugt so einen elektrisch leitenden Plasmakanal. Während der Strom vom Schneidbrenner des Plasmaschneider durch dieses Plasma fließt , gibt er genügend Wärme ab, um durch das Werkstück zu schmelzen. Gleichzeitig bläst ein Großteil des Hochgeschwindigkeitsplasmas und des komprimierten Gases das heiße geschmolzene Metall weg und trennt damit das Werkstück.

Reduzierung des Schalldruckpegels: Plasmaschneiden muss nicht laut sein

Das Plasmaschneiden ist eine effektive Möglichkeit, dünne und dicke Materialien zu schneiden. Handbrenner können in der Regel bis zu 38 mm dickes Stahlblech schneiden, stärkere computergesteuerte Brenner können bis zu 150 mm dickes Stahlblech schneiden. Da Plasmaschneider einen sehr heißen und sehr lokalisierten „Kegel“ zum Schneiden erzeugen, sind sie sehr nützlich für das Schneiden und Schweißen von Blechen in gebogenen oder abgewinkelten Formen.

Ein Plasmasystem für alle Schneid- und Markierarbeiten

Vor- und Nachteile des Plasmaschneidens

Vorteile:

  • Betrieb eines oder mehrerer Brenner je nach Baureihe
  • Schneiden aller elektrisch leitfähigen Materialien
  • Schneiden von hochlegierten Stahl- und Aluminiumwerkstoffen in mittleren und größeren Dicken
  • Hervorragende Leistung in kleinen und mittelgroßen Baustahlstärken
  • Schneiden von hochfestem Baustahl mit geringerem Wärmeeintrag
  • Hohe Schnittgeschwindigkeiten (bis zu 10 mal höher als bei Autogen)
  • Beliebige Verarbeitung von hochwertigen Zuschnitten bei mittleren und dicken Blechen
  • Plasmaschneiden garantiert eine sehr gute Automatisierung
  • Plasmaschneiden unter Wasser ermöglicht eine sehr geringe Wärmeeinwirkung und sorgt für einen geringen Geräuschpegel am Arbeitsplatz

Nachteile:

  • Einschränkung des Einsatzes von bis zu 160 mm (180 mm) für Trockenschnitt und 120 mm für Unterwasserschnitt
  • Eine etwas breitere Schnittfuge
  • Relativ hoher Stromverbrauch
  • Laser bieten eine noch höhere Schnittqualität
  • Teurer als Autogenschneideanlagen
  • Lärmentwicklung bei Trockenschnitt möglich

Anwendungsbereiche des Plasmaschneidens

Manuelle Plasmaschneider werden in der Regel von Werkstätten für die Bearbeitung von Dünnmetall, bei der Instandhaltung von Fabriken, bei der Instandhaltung von landwirtschaftlichen Betrieben, bei Schweißreparaturzentren, bei Metall-Servicezentren (Schrott, Schweißen und Demontage), bei Bauarbeiten (zum Beispiel Gebäude und Brücken), im kommerziellen Schiffbau, bei der Herstellung von Anhängern, bei Autoreparaturarbeiten und bei Kunstwerken (Fertigung und Schweißen) eingesetzt.

Baustahlschneiden mit Flash 101.
Baustahlschneiden mit Flash 101.
( Bild: Kjellberg )

Mechanisierte Plasmaschneider sind in der Regel deutlich größer als manuelle Plasmaschneider und werden in Verbindung mit Schneidetischen eingesetzt. Mechanisierte Plasmaschneider können in eine Stanz-, Laser- oder Roboterschneidanlage integriert werden. Die Größe eines mechanisierten Plasmaschneider richtet sich nach dem verwendeten Tisch und Portal. Diese Systeme sind nicht leicht zu manövrieren, daher sollten alle ihre Komponenten zusammen mit dem Layout der Anlage vor der Installation berücksichtigt werden.

Mittlerweile bieten Hersteller auch Kombigertäte an, die sowohl zum Plasmaschneiden wie auch Schweißen geeignet sind. Im industriellen Bereich lautet die Faustregel: Je komplexer die Anforderungen an das Plasmaschneiden sind, umso höhere Kosten entstehen auch.

Wann entstanden die ersten Plasmaschneider?

Das Plasmaschneiden ging in den 60er Jahren aus dem Schweißen von Plasma hervor und hat sich in den 80er Jahren als sehr produktives Verfahren zum Schneiden von Blechen und Platten entwickelt. Gegenüber dem traditionellen "Metall gegen Metall"-Schneiden werden beim Plasma Schneiden keine Metallspäne produziert und sehr präzise Schnitte erzielt. Die frühen Plasmaschneider waren groß und zudem recht langsam und teuer. Daher wurden sie vor allem für die Wiederholung von Schnittmustern im Massenproduktionsmodus eingesetzt. Wie bei anderen Werkzeugmaschinen wurde auch beim Plasmaschneider in den späten 80er Jahren bis in die 90er Jahre die CNC-Technologie (Computer Numerical Control) eingesetzt. Dank der CNC-Technologie erhielten die Plasmaschneider eine größere Flexibilität beim Schneiden verschiedener Formen auf Grundlage einer Reihe diverser Anweisungen, die in der numerischen Steuerung der Maschine einprogrammiert wurden. Die CNC-Plasmaschneidmaschinen waren jedoch in der Regel auf das Schneiden von Mustern und Teilen aus flachen Stahlblechen mit nur zwei Bewegungsachsen beschränkt.

Automatisiertes Plasmaschneiden für eine effiziente Fertigung

In den letzten zehn Jahren haben die Hersteller der diversen Plasmaschneider völlig neue Modelle mit einer kleineren Düse und einem dünneren Plasmalichtbogen entwickelt. Dies ermöglicht eine lasernahe Präzision an den Plasmaschnittkanten. Mehrere Hersteller haben die CNC-Präzisionssteuerung mit diesen Brennern kombiniert und so die Produktion von Teilen ermöglicht, die wenig oder gar keine Nachbearbeitung erfordern, was auch andere Prozesse wie etwa Schweißen vereinfacht.

Ferroflex schneidet in diesem Video 12 mm Stahlblech mit Plasma.

Was bedeutet „thermisches Trennen“?

Der Begriff „thermisches Trennen“ wird als Überbegriff für Verfahren verwendet, bei denen Materialien durch Wärmeeinwirkung mit oder ohne Schneidsauerstoffstrom so geschnitten oder geformt werden, dass im weiteren Verarbeitungsprozess keine Nacharbeit mehr notwendig ist. Die drei dominierenden Verfahren sind Autogen-, Plasma- sowie Laserstrahlschneiden.

Plasmabrenner mit Fasenaggregat.
Plasmabrenner mit Fasenaggregat.
( Bild: Lind )

Autogenschneiden

Wenn Kohlenwasserstoffe oxidiert werden, erzeugen sie Wärme. Wie bei anderen Brennverfahren ist auch beim Autogenschneiden keine teure Ausrüstung erforderlich, die Energiequelle ist leicht zu transportieren und die meisten Prozesse benötigen weder Strom noch Kühlwasser. Ein Brenner und eine Brenngasflasche reichen in der Regel völlig aus. Das Autogenschneiden ist das vorherrschende Verfahren zum Schneiden von schwerem, unlegiertem und niedriglegiertem Stahl und dient auch der Vorbereitung des Materials zum späteren Schweißen. Nachdem die Autogenflamme das Material auf Zündtemperatur gebracht hat, wird der Sauerstoffstrahl eingeschaltet und bringt das Material zum Brennen. Wie schnell die Zündtemperatur erreicht wird, hängt vom Brenngas ab. Dabei ist die Geschwindigkeit für den richtigen Schnitt von der Reinheit des Sauerstoffs und der Geschwindigkeit des Sauerstoffgasstrahls abhängig. Hochreiner Sauerstoff, optimiertes Düsendesign und korrektes Brenngas garantieren eine hohe Produktivität und sorgen für minimierte Gesamtprozesskosten.

Plasmaschneiden

Das Plasmaschneiden wurde in den 1950er Jahren entwickelt, um Metalle zu schneiden, die nicht gebrannt werden konnten (z.B. rostfreie Stähle, Aluminium und Kupfer). Beim Plasmaschneiden wird das Gas in der Düse ionisiert und durch das spezielle Design der Düse fokussiert. Allein mit diesem heißen Plasmastrom können Materialien wie Kunststoffe (ohne übertragenen Lichtbogen) geschnitten werden. Beim Materialen aus Metall wird beim Plasmaschneiden zusätzlich ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück gezündet, um die Energieübertragung zu erhöhen. Eine sehr schmale Düsenöffnung fokussiert den Lichtbogen und den Plasmastrom. Durch ein Sekundärgas (Schutzgas) kann eine zusätzliche Schnürung des Entladungsweges erreicht werden. Die Wahl der richtigen Plasma-/Schutzgaskombination kann die Gesamtprozesskosten deutlich senken.

Plasmaschneiden unter Wasser schont Mensch und Umwelt

Laserschneiden

Das System Autorex von Esab ist der Einstieg in die Automatisierung des Plasmaschneidens. Es lässt sich einfach in vorhandene Produktionen integrieren.
Das System Autorex von Esab ist der Einstieg in die Automatisierung des Plasmaschneidens. Es lässt sich einfach in vorhandene Produktionen integrieren.
( Bild: Esab Cutting Systems )

Das Laserschneiden ist die jüngste thermische Schneidetechnologie und wurde noch nach dem Plasmaschneiden entwickelt. Der Laserstrahl wird dabei im Resonatorhohlraum der Laserschneidanlage erzeugt. Während der Verbrauch des Resonatorgases gering ist, sind seine Reinheit und die richtige Zusammensetzung entscheidend. Spezielle Resonatorgase schützen die Geräte vom Zylinder bis in den Resonatorhohlraum hinein und optimieren die Schneideleistung. Zum Schneiden und Schweißen wird der Laserstrahl vom Resonator zum Schneidkopf durch das Strahlwegsystem geführt. Dabei muss sichergestellt werden, dass das System frei von Lösungsmitteln, Partikeln und Dämpfen ist. Besonders bei Hochleistungssystemen (> 4kW) ist Stickstoff aus einer flüssigen Quelle empfehlenswert. Beim Laserschneiden kann Sauerstoff oder Stickstoff als Schneidgas dienen. Sauerstoff wird für unlegierten und niedrig legierten Stahl verwendet, wobei das Verfahren Ähnlichkeiten mit dem Autogenschneiden aufweist. Auch hier spielt die Reinheit des Sauerstoffs eine wichtige Rolle. Stickstoff wird für Edelstahl, Aluminium und Nickellegierungen verwendet, um eine saubere Kante zu erzielen und die kritischen Eigenschaften des Grundmaterials zu erhalten.

Noch detaillierte Informationen zu den Unterschieden der einzelnen Verfahren finden Sie hier.

Wasserinjektion beim Plasmaschneiden und Schweißen

Wie wir alle wissen, wird Wasser als Kühlmittel in vielen industriellen Verfahren verwendet, die hohe Temperaturen für den Prozess mit sich bringen. Gleiches gilt für die Wasserinjektion beim Plasmaschneiden. Dabei wird Wasser durch den Injektor in den Plasmalichtbogen beim Plasmaschneider eingespritzt. Der Plasmalichtbogen entsteht in der Regel, wenn Stickstoff als Plasmagas eingesetzt wird, wie dies bei der Mehrheit der Plasmaschneider der Fall ist. Sobald das Wasser in den Plasmalichtbogen injiziert wird, führt dies zu einer hohen Einschnürung. Dabei steigt die Temperatur in diesem speziellen Prozess deutlich auf 30.000°C und darüber an. Vergleicht man die oben genannten Prozessvorteile mit konventionellem Plasma, so stellt man fest, dass sich sowohl die Schnittqualität als auch die Rechtwinkligkeit des Schnittes deutlich verbessern und die Werkstoffe ideal zum Schweißen vorbereitet sind. Neben der Verbesserung der Schnittqualität beim Plasmaschneiden ist auch eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, ein geringeres Risiko der Doppelwölbung sowie eine Verringerung der Düsenerosion festzustellen.

Seit 2018 gibt es speziell für die Schneidtechnologien in der Blechbearbeitung eine neue Messe: die Cutting World in Essen. Geplant ist ein Zwei-Jahres-Rythmus.

Plasmaschneiden mit erhöhter Einschnürwirkung

Drallgas wird in der Plasmaschneidindustrie häufig verwendet, um eine bessere Eingrenzung der Plasmasäule zu erreichen und einen stabileren Einschnürungsbogen zu erzeugen. Steigt die Anzahl der Einlassgaswirbel, bewegt sich der maximale Druckpunkt durch die Zentrifugalkraft zum Rand des Plenums und der minimale Druckpunkt sehr viel näher zur Achse. Die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Druck steigt mit der Drallzahl. Die große Druckdifferenz in radialer Richtung verengt den Lichtbogen und führt zu großer Stromdichte und Ohm-Heizung in der Nähe der Achse. Dies führt zu einer wesentlich höheren Temperatur in der Nähe der Kathode. Es wird darauf hingewiesen, dass Drallgas die Kathodenerosion aus zwei Gründen beschleunigt: Erhöhung des Drucks im Plenum und Änderung der Strömungsmuster in der Nähe der Kathode. Zudem sollte berücksichtigt werden, dass das Gas mit großer Drallzahl die Drallgeschwindigkeitskomponente an der Schneidstelle entsprechend der Drehimpulserhaltung vergrößert. Es wird vermutet, dass dies unterschiedliche Winkel bei der linken und rechten Kante der Schnittfuge verursacht.

Plasmaschneiden mit veränderlicher Fasengeometrie

Das Fachbuch „Handbook of Advanced Plasma Processing Techniques“ ist rund um das Plasmaschneiden sehr zu empfehlen.

Und jetzt sind Sie dran!

Geben Sie uns Feedback zu diesem Artikel. Welche Fragen sind noch offen, welche Aspekte interessieren Sie? Mit Ihrem Kommentar helfen Sie uns besser zu werden!

Weiterführende Inhalte zu "Plasmaschneiden"

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45660696)

Das könnte Sie auch interessieren SCHLIESSEN ÖFFNEN
Hypertherm bringt mit dem X-Definition-Schneiden, das mit der neuen Anlage XPR300 angeboten wird, dem Plasmaschneiden einen bisher unerreichten Qualitäts- und Funktionsschub.
Hypertherm

Neue Klasse für das Plasmaschneiden von Stahl und Aluminium eingeführt

Was das maschinelle Plasmaschneiden für Vorteile bringt, will Hypertherm in seinem neuen Schulungszentrum zeigen. Bild: Hypertherm
Plasmaschneiden

Hypertherm eröffnet neues Schulungszentrum zum Plasmaschneiden

Bis 50 mm Materialstärke flexibel und mobil mit Plasma schneiden, das ermöglicht der Inverter Cuti 120, wie Kjellberg auf der Messe „Schweißen und Schneiden 2009“ darlegen will.
Kjellberg

Neuheiten zum Plasmaschneiden und Schweißen auf der Messe

; Microstep; Kjellberg; Bild: Esab Cutting Systems; Bild: Oerlikon; Bild: Kaast; Hypertherm; Archiv: Vogel Business Media; Bild: Lind; Erl Automation; ERL; Springfeld; Lind; Esab Cutting Systems; Schuler; Meusburger; picsfive - Fotolia; LVD; Bihler; Messe Essen; Eutect / Lebherz; Stefanie Michel; RK Rose+Krieger; Mack Brooks; Schall; J.Schmalz; Inocon; Zeller + Gmelin; Okamoto Europe; Autoform/Rath; Lantek; Simufact; IKT; Schöller Werk; Vollmer; Wirtschaftsvereinigung Stahl; © earvine95, pixabay; Thyssenkrupp; Esta; IFA; CWS; totalpics; Design Tech; Deutsche Fachpresse; Automoteam; MPA Stuttgart